新型多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

賈 祺 ，嚴(yán)干貴 ，李泳霖 ，賴柏竹

（1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)浙江省杭州供電公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

太陽能資源豐富、可持久續(xù)用，是目前具有大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)潛能的可再生能源之一，許多國家已經(jīng)進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)太陽能發(fā)電的決策和規(guī)劃。截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到43.18 GW，約占全球裝機(jī)容量的1/5，超過德國成為全球光伏裝機(jī)容量最大的國家。隨著太陽能資源的持續(xù)開發(fā)利用，開展友好型、安全型、靈活型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

常見大規(guī)模光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可分為集中式、組串式、集散式3種結(jié)構(gòu)。集中式光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)［1-2］是多光伏陣列單元經(jīng)串并聯(lián)匯集后經(jīng)較大容量DC/AC逆變器并網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但當(dāng)各陣列單元所處位置光照資源不同時(shí)，集中式結(jié)構(gòu)難以保證各光伏陣列單元均運(yùn)行于最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）狀態(tài)，影響發(fā)電效率。組串式光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)［3-4］是將集中安裝的光伏陣列分割成多個(gè)組串，每個(gè)組串經(jīng)小功率DC/AC逆變器并網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是有利于提高光伏電站的發(fā)電量，但光伏逆變器數(shù)量顯著增加，導(dǎo)致光伏電站的投資成本增加。集散式光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)［5］的特點(diǎn)是將多臺(tái)光伏陣列DC/DC變換器（實(shí)現(xiàn)MPPT控制）經(jīng)直流母線并聯(lián)后再經(jīng)一臺(tái)大功率DC/AC逆變器并網(wǎng)，與集中式結(jié)構(gòu)相比，其可提高光伏陣列單元的發(fā)電效率；與組串式結(jié)構(gòu)相比，其大功率DC/AC逆變器工作效率高、成本低［6］。

近年來，基于級(jí)聯(lián)多電平變換器的多端輸入集散式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到廣泛關(guān)注［7-12］，該結(jié)構(gòu)直流側(cè)各輸入端口可經(jīng)DC/DC變換器對(duì)各光伏陣列單元實(shí)現(xiàn)MPPT控制，提高太陽能利用率；逆變側(cè)采用多電平結(jié)構(gòu)，具有輸出電能質(zhì)量高、模塊化程度高、可冗余控制等優(yōu)點(diǎn)；但該結(jié)構(gòu)存在各光伏陣列光照強(qiáng)度不一致而引起的功率不平衡問題，相內(nèi)直流電壓平衡控制是該結(jié)構(gòu)運(yùn)行控制亟需解決的問題。

文獻(xiàn)［7］提出一種基于模塊化多電平換流器（MMC）結(jié)構(gòu)的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在滿足逆變器單體容量大、電壓等級(jí)高的要求外，有效地減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；文中還研究了各光伏陣列工作特性一致時(shí)的相內(nèi)直流電壓平衡控制策略。文獻(xiàn)［8］在文獻(xiàn)［7］的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在每個(gè)橋臂添加冗余模塊，實(shí)現(xiàn)各光伏陣列工作特性不一致時(shí)的相內(nèi)直流電壓平衡。文獻(xiàn)［9-10］提出一種基于電流前饋型雙主動(dòng)全橋（DAB）變換器的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，每相采用單獨(dú)的dq解耦控制策略，在解決相內(nèi)直流電壓不平衡問題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制。文獻(xiàn)［11-12］針對(duì)相內(nèi)直流電壓平衡問題給出了解決方法，但未考慮光伏陣列的安全運(yùn)行。

為此，本文提出一種基于DAB變換器多光伏陣列并列輸入、級(jí)聯(lián)逆變輸出的高頻隔離型集散式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：各光伏陣列單元與級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器之間引入DAB變換器，實(shí)現(xiàn)了光伏陣列單元與電網(wǎng)的電氣隔離，保證了各光伏陣列單元均運(yùn)行于MPPT狀態(tài)。針對(duì)各輸入端光伏陣列光照強(qiáng)度不同時(shí)帶來的功率不平衡問題，設(shè)計(jì)了級(jí)聯(lián)多電平變換器的調(diào)制量補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了各直流端電壓的平衡控制。

1 多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的基于DAB變換器的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，其主要由多個(gè)光伏陣列、多個(gè)DAB變換器、多個(gè)級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器構(gòu)成。各DAB變換器的低壓直流端連接光伏陣列，高壓直流端連接級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器。多端輸入結(jié)構(gòu)將大規(guī)模集中式光伏陣列分成若干個(gè)小型光伏陣列，并對(duì)各光伏陣列模塊單獨(dú)進(jìn)行MPPT控制，可有效提高太陽能利用率。

圖1 多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Multi-input grid-connected PV system

圖1中采用的DAB變換器為高頻隔離型變換器，開關(guān)頻率通常在10 kHz以上，具有電氣隔離、質(zhì)量輕、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

以圖1中A相為例，忽略傳輸功率損耗，只考慮A相輸出交流電壓的基波分量，得到A相交流側(cè)各DC/AC變換器輸出功率為:

其中，PPVi（i=1，2，…，n）為各光伏陣列輸出功率；PAi為A相交流側(cè)各DC/AC變換器輸出功率；UAi為各DC/AC變換器輸出基波交流電壓有效值；IAi為各DC/AC變換器輸出電流有效值；θAi為各 DC/AC變換器輸出基波交流電壓與輸出電流之間的相角；n為每相中級(jí)聯(lián)DC/AC變換器的個(gè)數(shù)。

對(duì)圖1中多端輸入并網(wǎng)系統(tǒng)而言，其交流側(cè)為多個(gè)DC/AC變換器串聯(lián)形式，各級(jí)聯(lián)模塊在交流側(cè)串聯(lián)電流相等。同時(shí)，由于本文的級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器采用載波移相控制（后續(xù)會(huì)詳述），各DC/AC變換器輸出基波交流電壓與輸出電流之間的相角基本相同，且DAB變換器高壓側(cè)直流電壓與各DC/AC變換器輸出交流電壓還滿足如下關(guān)系：

其中，Mr為調(diào)制波與載波的幅值比，即調(diào)制比；UdcAi（i=1，2，…，n）為各DAB變換器高壓側(cè)直流電壓。

當(dāng)A相中各光伏陣列光照強(qiáng)度一致時(shí)，各光伏陣列輸出功率相等，各DC/AC變換器輸出基波交流電壓有效值、各直流端電壓均相等。當(dāng)各光伏陣列光照強(qiáng)度不一致時(shí)，各光伏陣列輸出功率不相等，假設(shè)各 DC/AC 變換器的調(diào)制比保持不變，由式（1）、（2）可知，各DC/AC變換器輸出交流電壓UAi的值不同，進(jìn)一步會(huì)引起各DAB變換器高壓端直流電壓不平衡以及交流輸出電壓畸變，影響并網(wǎng)電流質(zhì)量。因此，針對(duì)相內(nèi)存在的功率不平衡現(xiàn)象，需要解決直流電壓平衡問題。

2 DAB變換器工作特性分析

DAB變換器作為多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的基本單元，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由2個(gè)全橋變換器、2個(gè)直流電容C1和C2、1個(gè)輔助電感L1和1個(gè)高頻變壓器T構(gòu)成。圖2中，U1和U2分別為DAB變換器的低壓端直流電壓和高壓端直流電壓；VTSi、VTQi（i=1，2，3，4）表示開關(guān)管；VDDi、VDMi表示二極管。

圖2 DAB變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of DAB converter

圖3為DAB變換器的工作原理圖，本文采用單移相控制［13-14］。DAB變換器工作過程中兩側(cè)全橋的開關(guān)頻率相同，對(duì)角開關(guān)管交替導(dǎo)通，導(dǎo)通角為180°，兩側(cè)全橋逆變輸出電壓uh1、uh2是占空比為50%的方波電壓。控制方波之間的相角就可控制電感兩端電壓的大小和相位，進(jìn)而控制功率的大小和流向。

圖3 DAB變換器工作原理Fig.3 Operating principle of DAB converter

圖3中，uh1和uh2為DAB變換器兩側(cè)全橋變換器的交流端電壓；iL為全橋變換器交流端電感電流；Ths為半個(gè)周期；D為移相比。電感電流iL可以表示為：

穩(wěn)態(tài)情況下，流過電感的平均電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為0，傳輸功率可以表示為：

其中，n1為變壓器變比；fs為開關(guān)頻率。由式（4）可見調(diào)節(jié)移相比D就可調(diào)節(jié)DAB變換器功率流動(dòng)大小。

本文采用的DAB變換器主要實(shí)現(xiàn)光伏陣列的MPPT控制，對(duì)于MPPT控制算法，本文采用電導(dǎo)增量法［15］。由式（4）可知，當(dāng)變壓器變比 n1、開關(guān)頻率fs、電感L、高壓端直流電壓U2已知時(shí)，通過改變移相比D的取值可求得不同的低壓端直流電壓U1，即光伏陣列輸出電壓。當(dāng)滿足dP/dU=0時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)光伏陣列單元的MPPT控制。

DAB變換器控制策略見圖4。圖中，iPV為光伏電流；UPV為光伏電壓，經(jīng)MPPT控制器后產(chǎn)生電壓參考值，電壓誤差經(jīng)PI控制器放大后得到移相角，再經(jīng)脈寬調(diào)制（PWM）產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖送至兩側(cè)全橋變換器。

圖4 DAB變換器控制策略Fig.4 Control strategy of DAB converter

3 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器工作特性分析

3.1 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器工作原理

以單相DC/AC變換器為基本單元的級(jí)聯(lián)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示（以多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的A相為例）。多個(gè)完全相同的DC/AC變換器交流輸出端串聯(lián)經(jīng)電感接入電網(wǎng)，在直流端獨(dú)立的接入DAB變換器的高壓直流端。圖5中，UdcA1、UdcA2、…、UdcAn為直流電壓；uA1、uA2、…、uAn為各 DC /AC 單元交流輸出電壓；ugA為電網(wǎng)電壓；iA為交流端電流（與前文保持一致性）；VTij（i=1，2，…，n；j=1，2，3，4）表示開關(guān)管，VDij表示二極管。

級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器的控制方法通常有載波移相正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制、優(yōu)化PWM控制、空間矢量PWM控制等。為獲得較高的等效開關(guān)頻率和響應(yīng)速度，本文采用載波移相SPWM控制，相鄰2個(gè)DC/AC變換器子單元的載波移相角相差2π/n，相電壓輸出波形個(gè)數(shù)為2n+1，其工作原理圖如圖6所示（圖中電壓為標(biāo)幺值）。

級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器可以等效為2個(gè)工頻正弦交流電源ugA和uA連接在一個(gè)電感兩端，通過調(diào)節(jié)ugA和uA之間的相位和幅值，便可以調(diào)節(jié)其傳輸功率的大小和方向，其中uA可由式（5）求得。

令圖5中uA為各級(jí)聯(lián)子單元交流輸出電壓的基波分量之和，可得：

3.2 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器控制策略設(shè)計(jì)

將三相多端輸入光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)三相逆變器，列寫該系統(tǒng)的微分方程，有：

圖5 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology structure of cascaded multi-level DC/AC converter

圖6 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器工作原理Fig.6 Operating principle of cascaded multi-level DC/AC converter

其中，iA、iB、iC為三相并網(wǎng)電流；ugA、ugB、ugC為三相電網(wǎng)相電壓；uA、uB、uC為各相級(jí)聯(lián)多電平變換器輸出電壓，可由式（7）求得。

其中，Sk（k=A，B，C）為開關(guān)函數(shù)，可以取值 1、0、-1；Udcavg為各DAB變換器高壓端直流電壓平均值，可由式（8）求得。

其中，UdcAi、UdcBi、UdcCi為各 DAB 變換器高壓端電壓。

將式（6）進(jìn)行dq解耦，得到：

假設(shè)每相中有3個(gè)DC/AC變換器，得到級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器dq解耦控制策略如圖7所示。圖7中，idref、iqref分別為參考電流的d軸和q軸分量；uAi、uBi、uCi（i=1，2，3）為各相級(jí)聯(lián)多電平單元中各 DC /AC變換器的正弦調(diào)制量。

圖7 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器dq解耦控制策略Fig.7 dq decoupling control strategy of cascaded multi-level DC/AC converter

直流電壓誤差信號(hào)經(jīng)過PI控制器放大后產(chǎn)生d軸參考電流，由于本文采用單位功率因數(shù)運(yùn)行，q軸參考電流設(shè)為0。dq軸電流誤差信號(hào)經(jīng)過PI控制器放大，并解耦后產(chǎn)生dq軸的調(diào)制量，進(jìn)一步通過載波移相得到各個(gè)DC/AC變換器的調(diào)制量。各調(diào)制量與三角載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。

對(duì)于每相中存在的直流電壓平衡問題，本文采用級(jí)聯(lián)多電平變換器的調(diào)制量補(bǔ)償控制策略，見圖8。由于每相光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，交流側(cè)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各DC/AC變換器輸出的電流相等，在保證直流電壓平衡的同時(shí)，需滿足各DC/AC變換器輸出功率不等的約束，由式（2）可知，若保證直流電壓平衡，則需改變各DC/AC變換器的調(diào)制比。因此，將各相級(jí)聯(lián)多電平單元中的各個(gè)直流側(cè)電壓與Udcavg的誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器后對(duì)各個(gè)直流側(cè)電壓進(jìn)行補(bǔ)償疊加，進(jìn)而求得新的調(diào)制量uAi1、uBi1、uCi1，保證各光伏陣列輸出功率不同時(shí)，各DAB變換器高壓端直流電壓平衡。

圖8 級(jí)聯(lián)多電平DC/AC調(diào)制量補(bǔ)償控制策略Fig.8 Modulation compensation control strategy of cascaded multi-level DC/AC converter

4 仿真算例驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

為了驗(yàn)證本文提出的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性、控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。系統(tǒng)參數(shù)如下：?jiǎn)蝹€(gè)光伏陣列額定輸出功率P為500 kW，交流電網(wǎng)線電壓有效值Ug為10 kV，DAB變換器高壓端直流電壓Udc為3 kV，DAB變換器開關(guān)頻率fs為10 kHz，高頻變壓器變比為1∶5，DAB變換器輔助串聯(lián)電感L為5.76 μH，DAB變換器單元直流電容C為5000μF，每相DAB變換器單元個(gè)數(shù)為3，每相級(jí)聯(lián)單元中DC/AC變換器個(gè)數(shù)為3。

4.2 仿真分析

4.2.1 光伏陣列MPPT仿真分析

在0~1 s、1~2.5 s和2.5~4 s時(shí)段，分別設(shè)置光照強(qiáng)度為400、600、1000 W/m2。單個(gè)光伏陣列在不同光照強(qiáng)度下的輸出功率如圖9（a）所示；光伏陣列輸出功率不同時(shí)對(duì)應(yīng)的DAB變換器的移相角如圖9（b）所示；光伏陣列不同光照強(qiáng)度下MPPT控制器輸出的直流電壓參考值與實(shí)際光伏陣列輸出的直流電壓如圖9（c）所示；DAB變換器在某一光照強(qiáng)度下的工作情況如圖9（d）所示，兩側(cè)全橋交流輸出電壓uh11和uh12均為方波，彼此間移開角度，并且uh11超前uh12，功率由低壓側(cè)流向高壓側(cè)，原邊電感電流iL1為近似于梯形波的高頻交流。

圖9 不同光照強(qiáng)度下光伏陣列運(yùn)行曲線Fig.9 Operation waveforms of PV array under different illumination intensities

4.2.2 直流電壓平衡控制仿真分析

當(dāng)每相中各個(gè)光伏陣列的光照強(qiáng)度均為額定光照強(qiáng)度，各相輸出功率相同時(shí)，多端輸入系統(tǒng)工作波形如圖10所示。圖10（a）為多電平逆變器各直流端電壓，基本穩(wěn)定在3000 V，圖10（b）為交流側(cè)三相輸出電壓，輸出電壓為7電平波。

圖10 額定光照強(qiáng)度下多端輸入系統(tǒng)運(yùn)行曲線Fig.10 Operation waveforms of multi-input system under rated illumination intensity

以A相為例，當(dāng)A相中各光伏陣列單元輸出功率分別為500 kW、465 kW、435 kW時(shí)，多電平DC/AC變換器各直流端電壓、調(diào)制量、輸出功率如圖11所示。系統(tǒng)1 s前不采用補(bǔ)償控制策略時(shí)，A相中各DC/AC變換器的調(diào)制量保持相等，各直流端電壓隨各光伏陣列單元輸出功率不同而不一致；1 s后采用補(bǔ)償控制策略，通過對(duì)各DC/AC交換器的調(diào)制量進(jìn)行補(bǔ)償，可以平衡各直流端電壓，且滿足各DC/AC變換器輸出功率不等的約束，與理論分析具有一致性。

圖11 A相級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器運(yùn)行曲線Fig.11 Operation waveforms of phase-A cascade multi-level DC/AC converter

當(dāng)A相中各光伏陣列單元輸出功率分別為450 kW、330 kW、390 kW時(shí)，采用補(bǔ)償控制策略時(shí)工作波形如圖12所示。從圖12同樣可以看出，通過級(jí)聯(lián)多電平變換器的調(diào)制量補(bǔ)償控制策略對(duì)各DC/AC變換器的調(diào)制量進(jìn)行補(bǔ)償，可以平衡各直流端電壓。

圖12 補(bǔ)償控制策略下A相級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器運(yùn)行曲線Fig.12 Operation waveforms of phase-A cascade multi-level DC/AC converter under compensation control strategy

5 結(jié)論

本文提出一種基于DAB變換器的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在各光伏陣列與級(jí)聯(lián)多電平DC/AC變換器間引入DAB變換器，不僅實(shí)現(xiàn)了光伏陣列單元的MPPT控制，也實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，保證各光伏陣列的安全運(yùn)行。針對(duì)各輸入端光伏陣列工作特性不同帶來的功率不平衡問題，設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)多電平變換器的調(diào)制量補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了各直流端電壓平衡控制。

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